Обоснование параметров подземной геотехнологии наклонных золоторудных жил в криолитозоне

Семенов, Юрий Михайлович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование параметров подземной геотехнологии наклонных золоторудных жил в криолитозоне
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров подземной геотехнологии наклонных золоторудных жил в криолитозоне"

На правах рукописи

УДК 622.272

СЕМЕНОВ Юрий Михайлович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОДЗЕМНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ НАКЛОННЫХ ЗОЛОТОРУДНЫХ ЖИЛ В КРИОЛИТОЗОНЕ (на примере Ирокиндинского месторождения)

Специальность: 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая,

строительная)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск - 2010

003492136

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук

Павлов Александр Митрофанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Лизункпп Владимир Михайлович

Защита диссертации состоится 10 марта 2010 года в 10-00 на заседании диссертационного совета Д 212.073.07 при Иркутском государственном техническом университете по адресу: 664074, Иркутск, ул. Лермонтова 83, корпус «К», конференц-зал, факс 8(3952)405-104, e-mail: go-gor@istu.edu.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в 2 экз., заверенные печатью, просьба посылать на имя ученого секретаря совета.

Автореферат разослан ^ февраля 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор Костромитинов Константин Николаевич

Ведущая организация: ОАО «Иргиредмет»

докт. техн. наук, профессор

В.П. Федорко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Золоторудные жильные месторождения Восточной Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока России имеют ряд особенностей: наличие криолитозоны различной мощности и температурного режима, сложное геологическое строение и тектоническую нарушенность, многообразие условий по устойчивости руд и вмещающих пород. Все это существенно влияет на устойчивость подрабатываемых массивов, напряженное состояние целиков и обнажений выемочных камер.

Разработка наклонных жил проводится, как правило, камерно-столбовой системой разработки с креплением очистного пространства. При этом до 30 - 40% запасов блока остается во внутриблоковых и ленточных охранных целиках и в основном их относят в потери. В небольших объемах применяется сплошная система разработки без оставления целиков. Однако вопросы определения параметров этой геотехнологии недостаточно решены в условиях криолитозоны.

Назрела актуальная необходимость обосновать методы и методики определения параметров подземной геотехнологии наклонных жил в криолитозоне на основе исследований температурного режима пород, геологических факторов, природных и техногенных полей напряжений в конструктивных элементах систем разработки на различных стадиях выемки запасов. Это позволит повысить безопасность и эффективность их разработки.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности и безопасности отработки наклонных золоторудных жил в условиях криолитозоны.

Основная идея работы состоит в совершенствовании элементов технологии отработки наклонных золотосодержащих жил на основе выявленных закономерностей перераспределения горного давления в криолитозоне.

Объект исследований - подземная геотехнология наклонных золоторудных жил в криолитозоне.

Предмет исследований - напряженное состояние горных пород и конструктивные параметры систем разработки наклонных жил в условиях криолитозоны.

Задачи исследований.

1. Анализ условий разработки наклонных золоторудных жил в криолитозоне.

2. Исследование геологических и криогенных факторов, определяющих устойчивое состояние горного массива.

3. Оценка устойчивости горного массива с учетом природных и техногенных напряжений горного массива.

4. Обоснование методов определения параметров подземной геотехнологии наклонных золоторудных жил.

5. Апробирование и реализация рекомендаций работы в производство.

Методы исследований. В работе применены комплексные исследования,

включающие: научный анализ и обобщение накопленного опыта; натурные измерения; графоаналитический метод при изучении элементов тектоники; теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния целиков и обнажений кровли с применением математического моделирования и шахтных измерений методами разгрузки; опытно - промышленную проверку разработанных методов управления горным давлением.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. При отработке рудных залежей в условиях многолетнемерзлых пород выявлено два типа переходных зон от многолетнемерзлых пород к талым, один из которых связан с естественным состоянием мерзлоты, другой с влиянием сезонного ритма ведения горных работ. В условиях переходных зон горизонтальные напряжения, действующие вкрест простирания рудных тел, превышают вертикальные в 1,7 раза, горизонтальные напряжения, действующие по простиранию, практически равны вертикальным. Установленные закономерности - основа разработки специальных технических решений по совершенствованию элементов технологии ведения горных работ и управлению горным давлением.

2. Границы переходных зон Ирокиндинского месторождения определяются изотермами горных пород от - 1 до + 0,5 °С. Устойчивость пород кровли в этих условиях может быть определена с учетом коэффициента структурного ослабления пород, изменяющегося в зависимости от мощности жилы и состояния переходных температурных зон от 0,37 до 1.

3. Параметры подземной геотехнологии при отработке наклонных золоторудных жил в условиях криолитозоны должны обеспечиваться: временем отработки до 2... 4 лет, выбором рациональных размеров очистного забоя, применением устойчивых предохранительных целиков и кровли камер, погашением отработанного пространства регулируемым самообрушением.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов н рекомендаций обеспечивается соответствием физических и математических моделей реальному состоянию массива горных пород, сходимостью результатов (лабораторных, аналитических и натурных) исследований, внедрением разработанных рекомендаций в промышленных масштабах.

Научная новизна диссертации

I. Выявлены закономерности изменения температурного режима криолитозоны в зависимости от сезона года и глубины разработки.

2. Уточнена классификация состояния кровли выработок с учетом геологических факторов: мерзлоты и ее температурного состояния, мощности зоны рассланцевания висячего бока жилы, блоковой тектоники и характера изгибов кровли и др.

3. Установлено пространственное положение переходных зон мерзлых пород в талые с учетом сезонного влияния теплого периода года.

4. Определены первоначальные напряжения на различных участках криолитозоны Ирокиндинского месторождения.

Личный вклад автора состоит в формулировке рабочих гипотез, постановке и проведении научных исследований, разработке методик лабораторных и производственных экспериментов, непосредственном участии в исследованиях, обработке полученных результатов и их обобщении, обосновании методов и методик определения параметров геотехнологии, проведении испытаний и внедрении результатов исследований и разработок в промышленном масштабе.

Практическая значимость результатов исследований

1. Усовершенствованы методики определения параметров устойчивых целиков и кровли очистных камер с учетом фактора оттаивания мерзлоты, выявленных закономерностей изменения природных и техногенных напряжений горного массива в криолитозоне.

2. Обоснован метод управления горным давлением - регулируемое самообрушение с учетом выявленных закономерностей напряженного состояния целиков и кровли камер в мерзлых и переходных зонах криолитозоны.

3. Обоснованы параметры геотехнологий, позволяющие обеспечить безопасную и эффективную выемку наклонных золоторудных жил в криолитозоне Ирокиндинского месторождения.

4. Определены параметры регулируемого самообрушения пород кровли при погашении подземных пустот.

Реализация работы

1. Разработанные методические указания по определению конструктивных параметров систем разработки в переходных зонах многолетнемерзлых пород к талым рекомендованы Управлением по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора РФ по Республике Бурятия доя практического применения на руднике «Ирокинда».

2. Основные рекомендации исследований использованы при составлении локальных проектов отработки жил Ирокиндинского месторождения.

3. Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке специалистов горно-геологических специальностей в дисциплинах «Геоме-

ханика», «Управление состоянием массива горных пород», «Горнопромышленная геология» и др.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на технических совещаниях ОАО «Бурятзолото» и рудника «Ирокинда» (г. Улан-Удэ, п. Ирокинда, 2005-2008 гт.); научно-технических конференциях горного факультета Иркутского государственного технического университета (г. Иркутск, 2007-2008 гг.); научно-технической конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр земли» (г. Новосибирск, 2007 г.); научно-технической конференции «Неделя горняка», МГГУ (г. Москва, 2007-2008 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано пять работ, в том числе три статьи в научных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК России.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 83 наименований и 2 приложений. Работа представлена на 128 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок, 19 таблиц и приложения на 3 страницах.

Диссертационные исследования выполнялись по плану госбюджетных научно-исследовательских работ ИрГТУ на 2003-2008 гг. (поз. 47/314 «Развитие научных основ, изыскание эффективных технологий разработки полезных ископаемых); планам научно-исследовательских работ ОАО «Бурятзолото» на 20052008 гг.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю к.т.н. A.M. Павлову за консультации в процессе выполнения работы; проф., д.т.н. Л.И. Сосновскому; д.г-м.н., проф. В.А. Филонюку; д.т.н., проф. Д.Е. Махно; коллективу кафедры РМПИ ИрГТУ за поддержку и ценные советы в процессе выполнения работы; специалистам ОАО «Бурятзолото» и рудника «Ирокинда» за содействие в проведении лабораторных и промышленных экспериментов.

Содержание работы

В первой главе выполнен анализ отечественного и зарубежного опыта разработки золоторудных жил наклонного залегания в криолитозоне, подземных геотехнологий в подобных условиях и методов определения их параметров, исследований влияния теплового режима на устойчивость и деформирование горных выработок, исследований горного давления при разработке наклонных жил. На основе приведенного анализа сформулированы цель и задачи исследований.

Вторая глава посвящена изучению геологических и криогенных условий, определяющих устойчивое состояние горного массива. Рассмотрены геологические факторы, влияющие на устойчивость кровли камер. Установлены закономерности распределения температур воздуха и горных пород, пространственное

положение переходных зон от многолетнемерзлых пород к талым. С учетом выявленных закономерностей уточнена классификация состояний кровли очистного пространства по категориям устойчивости.

В третьей главе приведены результаты исследований природных и техногенных напряжений горного массива. Обоснованы критерии оценки устойчивости горного массива в криолитозоне. Приведены результаты инструментальных измерений первоначального напряженного состояния горного массива, математического моделирования напряженно-деформированного состояния опорных целиков и обнажений кровли камер при отработке жил.

В четвертой главе изложено обоснование методов и методик определения параметров подземных геотехнолошй при разработке жил в криолитозоне. Обоснован комплексный метод управления горным давлением на различных стадиях выемки запасов.

В пятой главе приведены результаты промышленной проверки рекомендаций исследований в производственных условиях и оценки их экономической эффективности.

В заключении диссертации обобщены результаты выполненных исследований в соответствии с постаатенными научными задачами.

В приложениях к работе приведены материалы, подтверждающие реализацию предлагаемых методов определения параметров геотехнологий, представлен акт внедрения с оценкой экономической эффективности предлагаемых технических решений.

На месторождениях Сибири, Забайкалья, Якутии и Дальнего Востока характерно наличие криолитозоны, которая значительно влияет на устойчивость горного массива и конструктивные элементы систем разработки.

Существенный вклад в совершенствование геотехнологий в условиях вечной мерзлоты внесли: В.П. Бакакин, Е.Т. Воронов, А.Ф. Галкин, С.Г. Гендлер, В.Г. Гринев, Ю.Д. Дядькин, A.A. Зильберборд, В.П. Зубков, В.Ю. Изаксон, К.Н. Костромитинов, A.C. Курилко, В.Т. Морозов, Г.П. Необутов, A.M. Павлов, C.B. Потемкин, Д.П. Сенук, В.Н. Скуба, В.А. Шерстов, С.П. Шкулев, Ю.В. Шувалов, П.Д. Чабан, E.H. Чемезов и др.

Сложность горно-геологического залегания наклонных жил, мерзлое состояние массива оказывают влияние на выбор систем разработки, методов управления кровли, технологических схем средств механизации очистных работ их безопасность и технико-экономические показатели.

В решение проблем определения параметров подземных геотехнологий значительный вклад внесли: С.Г. Авершин, А.Г. Акимов, И.Т. Айтматов, В.А. Асанов, И.М. Батугина, A.A. Борисов, В.И. Борщ-Компаниец, Н.П. Влох, В.Б.

Дьяковский, П.В. Егоров, O.B. Зотеев, В.М. Земисев, A.B. Зубков, В.П. Зубков, A.M. Ильштейн, М.А. Иофис, A.M. Ильин, Ю.А. Кашников, A.A. Козырев, М.А. Кузнецов, М.В. Курленя, В.М. Лизункин, М.Г. Мустафин, A.M. Павлов, И.М. Петухов, М.М. Протодьяконов, И.Ю. Рассказов, А.Д. Сашурин, В.Д. Слесарев, Л.И. Сосновский, И.А.Турчанинов, A.A. Филинков, Г.Л. Фисенко, Л.Д. Шевяков, Ю.П. Щуплецов, Б.В. ЦГрепп и др.

Анализ ранеевыполненных исследований показывает, что недостаточно полно решены вопросы устойчивости пород с учетом геологических факторов наличия многолетней мерзлоты и ее температурного режима, расчеты параметров конструктивных элементов систем разработки наклоннозалегающих жил малой мощности (пролеты камер, размеры целиков и др.) производятся без учета закономерностей напряженного состояния в мерзлых породах и переходных зонах от многолетнемерзлых пород к талым.

Основные результаты исследований отражены в научных положениях, выносимых на защиту:

1. При отработке рудных залежей в условиях многолетнемерзлых пород выявлено два типа переходных зон от мпоголетпемерзлых пород к талым, один из которых связан с естественным состоянием мерзлоты, другой с влиянием сезонного ритма ведения горных работ. В условиях переходных зон горизонтальные напряжения, действующие вкрест простирания рудных тел, превышают вертикальные в 1,7 раза, горизонтальные напряжения, действующие по простиранию, практически равны вертикальным. Установленные закономерности - основа разработки специальных технических решений по совершенствованию элементов технологии ведения горных работ и управлению горным давлением.

С целью установления пространственного распространения многолетнемерзлых пород и переходной зоны к талым породам в горных выработках жил № 30,35 и «Центрально-Тулуинская» было проведено сезонное картирование температурных полей путём проведения замеров по относительно равномерной сети. Замеры температуры горных пород проводились термометром ТЦМ 9210М4. Точность измерений 0,1 °С. По результатам измерений с помощью программы AutoCAD составлены карты температурного состояния горного массива в летнее и зимнее время. Определено пространственное положение границы между многолетнемёрзлыми и талыми породами.

На жиле «Центрально-Тулуинская» температурное поле горных пород в летний сезон изменяется. В период влияния тёплого воздуха появляются участки горного массива с положительными температурами пород. Максимальные температуры пород в приустьевой части штолен достигают + 6 °С. Температура пород в

центральной части жилы отрицательная и не опускается ниже - 2,5 °С. Только в районе штолен № 18,39 температуры пород и воздуха понижаются до - 4 °С. На температурных картах, составленных по летним и зимним замерам, на нижних горизонтах жилы зафиксированы породы с положительными температурами. Пространственное положение летних и зимних изотерм на глубоких горизонтах практически совпадает. Значения изотерм колеблются в пределах - 1... + 1 °С. Наблюдается чёткая связь внутренней структуры температурного поля со схемой вентиляции горных выработок.

На жилах № 30,35, в отличие от жилы «Центрально-Тулуинская» отмечается более плавное изменение температур горных пород. Температура массива и воздуха колеблется в диапазоне - 2 ... - 3 °С. Только на западном фланге она опускается до - 3... - 4 °С. Здесь же отмечен участок влияния теплого воздуха, максимальная температура которого на входе составляет + 6 °С. Глубина этого участка около 300м, нижняя граница его находится между горизонтами штолен №35 и 34. Отмечается ещё один участок с положительными температурами пород. Верхняя граница его проходит на уровне штольни 9 бис (гор. 1059м). На оставшейся части жилы температуры пород не превышают - 2 ... - 3° С.

Анализ полученных карт позволяет сделать вывод о том, что температурное поле в горном массиве носит прерывистый характер. Аномально низкие и относительно высокие температуры будут наблюдаться в пространственно рассредоточенных участках, несмотря на существующий тренд постепенного повышения температуры с глубиной.

Для горно-геологических условий Ирокиндинского месторождения усовершенствована, с учетом температурного режима шахт в установленных переходных зонах, классификация состояний кровли очистного пространства по категориям в различных мерзлотных условиях горного массива (табл. 1).

В процессе исследований методом щелевой разгрузки по методике ИГД УрО РАН проведены натурные измерения природных напряжений. Определение напряжений проводилось как в мерзлых породах, так и в их переходных зонах к талым (табл. 2).

Таблица 1

Классификация состояний кровли очистного пространства по категориям устойчивости ___в различных мерзлотных условиях горного массива____

Мерзлотные и геологические факторы

Естественные гео- мерзлотные условия геологической среды ! >а 2 к 3 Я 5 1* угол наклона осевой поверхности жилы, град я м к ^ 1 з В 1 мерзлотный режим состояние естественного висячего контакта жилы

логические условия положения кровли очистного пространства я & 1.8 О 5 8 I 2-« 8 3 в я |§ ж г § е I § § г Ю о | 8. я наличие льда в трещинах (вялая мерзлота) «сухая» мерзлота ненарушенное | нарушенное Категория устойчивости

! 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Многолетне-мёрзлое состояние по- 0,1-0,2 до Ю Нет - + + - Устойчивая

0,2-0,5 до 10 Нет - + + - Среднеустойчивая

род 0,5-1 и более до 10 Нет - + - + Неустойчивая

и 0,1-0,2 До ю Нет + + + - Среднеустойчивая

Естественный свод (купол), вызванный пологам изгибом осевой поверхности рудной жилы ё в § 1 я 8 |а 5 к о 0,2-0,5 До ю Нет + + + - Среднеустойчивая

V О 0,5-1 и более До Ю Нет + + - + Неустойчивая

а х в 1 § " 0,1-0,2 до 10 Нет + - + - Неустойчивая

(зоны) или увеличением их мощности ° § 1 2-е 0,5 О н 3 0,2-0,5 до 10 Нет + - + - Неустойчивая

а | 8 ® с 0,5-1 И более до 10 Нет + - - + Неустойчивая

Отсутствие мерзлоты (талые породы) 0,1-0,2 до Ю Нет - - + - Неустойчивая

0,2-0,5 до 10 Нет - - + - Неустойчивая

0,5-1 и более до Ю Нет - - - + Неустойчивая

1 2 3 4 5 б 7 8 9 10

Естественный прогиб (провес) кровли, вызванный пологим изгибом осевой поверхности рудной жилы (зоны) или увеличением их мощности Многолетне-мёрзлое состояние пород 0,1-0,2 до 10 Нет - + + - Устойчивая

0,2-0,5 До 10 Крупнобл. отдельность - + + - Среднеустойчивая

0,5-1 и более до 10 Мелкобл. отдельность - + - + Среднеусто йчивая

Переходные зоны от мно-голетнемерзлых пород к [талым ¡Сезонные 1 ! 1 0,1-0,2 до 10 Нет + + + - Среднеусто йчивая

0,2-0,5 до 10 Крупнобл. отдельность + + + - Неустойчивая

0,5-1 И более до 10 Мелкобл. отдельность + + - + Неустойчивая

<и а й 8 о О 0,1-0,2 до 10 Нет + - + - Неустойчивая

0,2-0,5 до 10 Крупнобл. отдельность + - + - Неустойчивая

0,5-1 и более до 10 Мелкобл. отдельность + - - + Неустойчивая

Отсутствие мерзлоты (талые породы) 0.1-0,2 до 10 Нет - - + - Неустойчивая

0,2-0,5 до 10 Крупнобл. отдельность - - + - Неустойчивая

0,5-1 и более до 10 Мелкобл. отдельность - - - + Неустойчивая

Переходная зона от естественного свода к естественному прогибу Многолетне мёрзлое состояние пород 0,1-0,2 30-50 Нет - + + - Устойчивая

0,2-0.5 20 -30 Крупнобл. отдельность - + + - Среднеусто йчивая

0,5-1 и более до 20 Мелкобл. отдельность - + - + Неустойчивая

¡Переходные зоны от многолетнемерзлых по-|род к талым о к о и и 0,1-0,2 30-50 Нет + + ¥ - Среднеусто йчивая

0,2-0,5 20-30 Крупнобл. отдельность + + + - Неустойчивая

0,5-1 и более до 20 Мелкобл. отдельность + + - + Неустойчивая

Постоянные | _____1 0,1-0,2 30-50 Нет + - + - Неустойчивая

0,2-0,5 20-30 Крупнобл. отдельность + - + - Неустойчивая

0,5-1 и более до 20 Мелкобл. отдельность + - - + Неустойчивая

Отсутствие мерзлоты (талые породы) 0,1-0,2 30-50 Нет - - + - Неустойчивая

0,2-0,5 20-30 Крупнобл. отдельность - - + - Неустойчивая

0,5-1 и более До 20 Мелкобл. отдельность - - - + Неустойчивая

Таблица 2

Данные натурных измерений напряжений массивов горных пород Ирокиндинского месторождения

Напряжение Результаты натурных измерений напряжений

и горных массивов

5 В

£ «в Я X о * я 1 ■о г 1 2 § е | 2 £

о. (в X я ч и Теоретическое напря потезе А. Гейма), МГ число единичных оп] делений напряжения напряжение, МПа 1 отношение продолы напряжения к вертик ному СТгфЛТг отношение поперсч! напряжения к верти» ному стп/о,

1 2 3 4 5 6 7

Жила № 35 (многолетнемерзлые породы)

Вертикальное (ов) 200 -5,6 48 - 7,4±0,9

Продольное (опр) -5,6 24 -9,3±1,4 1,3 1,2

Поперечное (С„) -5,6 24 - 8,6±1,8

Жила № 30 (переходная зона мерзлых пород в талые)

Вертикальное (о„) 250 -6,6 32 -6,9

Продольное (апр) -6,6 16 -6,6 1,0 1,3

Поперечное (Оп) -6,6 16 -9,3

Жила «Центрально-Тулуинская» (переходная зона мерзлых пород в талые)

Вертикальное (ов) 250 -6,6 40 -6,3

Продольное (спр) -6,6 16 -5,2 0,8 2,0

Поперечное (СГп) -6,6 16 -12,4

Среднее 0,9 1,7

значение

Установлено, что в многолетнемерзлых породах вертикальные и горизонтальные напряжения примерно равны, отклонения не превышают точности измерений. Такое распределение напряжений в пространстве хорошо согласуется с гипотезой А.Гейма - гипотезой гидростатических напряжений. Величины напряжений можно вычислять по формуле

<7«= о„р= а»=уН,

где у- плотность горных пород, Н/м3; Я - глубина разработки, м.

Полученные величины натурных измерений напряжений в переходной зоне составляют: вертикальные ег„= - (6,3...6,9) МПа; горизонтальные продольные а.„р = - (5,2...6,6) МПа; горизонтальные поперечные - (9,3... 12,4) МПа. Максимальные напряжения действуют горизонтально вкрест простирания рудных залежей. Они больше вертикальных напряжений в 1,7 раза. Горизонтальные напряжения, действующие по простиранию рудных тел практически равны вертикальным напряжениям. Для условий переходной зоны многолетнемерзлых пород к талым принята гипотеза о гравитационно-тектонических напряжениях. Величины измеренных напряжений аппроксимируются формулами:

а, ~ -у-Н ; <% = -0,9-у-Н - агп = -\,1 -у-Н.

Выявленные закономерности температурного режима и природных напряжений горного массива свидетельствуют о наличие участков с различными геомеханическими состояниями, что требует разработки специальных технических решений по совершенствованию элементов технологии ведения горных работ и управлению горным давлением.

2. Границы переходных зон Ирокпндинского месторождения определяются изотермами горных пород от - 1° до + 0,5° С. Устойчивость порол кровли в этих условиях может быть определена с учетом коэффициента структурного ослабления пород, изменяющегося в зависимости от мощности жилы и состояния переходных температурных зон от 0,37 до 1.

Установлено, что горный массив Ирокиндинского месторождения характеризуется различным криогенным состоянием. До глубины 200-400 м распространена многолетняя мерзлота. Ниже наблюдаются переходные зоны мерзлых пород к талым. Выделяется два типа переходных зон. Переходная зона I образуется в летний период из-за вентиляции выработок теплым воздухом. Граница этой зоны от устья штолен распространяется на 160 м и ограничивается изотермой воздуха - 1 °С. Сезонные колебания температурного состояния горного массива этой зоны приводят к существенной потери устойчивости кровли на выемочных площадях. Переходная зона II существует постоянно, независимо от сезонных изменений температур. Граница этой зоны определяется изотермами горных пород от - 1 °С до + 0,5 °С. Для этой зоны характерны вывалы горных пород вследствие текучести льда в зонах рассланцевания. Наличие этих зон необходимо учитывать при выборе способа управления горным давлением.

Степень влияния переходных зон на геомеханические свойства горного массива целесообразно выражать и учитывать через коэффициент структурного ослабления Кс, который является одним из ключевых показателей, используемых при расчётах конструктивных элементов систем разработки. Количественную

оценку снижения устойчивости предлагается производить, корректируя коэффициент структурного ослабления пород с учетом влияния отрицательных температур. С учетом изменяющегося коэффициента структурного ослабления представляется возможным оценить коэффициенты запаса прочности целиков и кровли камер и определить допустимые напряжения в них.

Коэффициент структурного ослабления Кс рекомендуется вычислять на основе методики ВНИМИ и предложенного автором дифференцированного поправочного коэффициента по выражению

К =--Г + 0.315 +А

' 0.53(///6л + 1.75)

где / - линейный размер оцениваемого на прочность участка массива, м; /& - линейный размер структурного блока, м; А - коэффициент, учитывающий влияние отрицательных температур.

Величина I в нашем случае равна выемочной мощности жилы. Значения коэффициента Л предлагается принимать дифференцированно: для мерзлых пород -0,4 , переходной зоны I - 0,2, переходной зоны II - 0,1, талых пород - 0.

Величины коэффициентов структурного ослабления для условий Ирокин-динского рудного поля приведены в табл. 3.

Коэффициент запаса прочности целиков определяется на основе выражения

К, = —^—

3 К-кф>

где КдЛ - коэффициент длительной прочности; К,р - коэффициент, учитывающий геометрические размеры целика (коэффициент Церна).

Для условий отработки жил средней мощностью 2м, размеров целиков Зм установлены зависимости изменения коэффициента запаса прочности целиков от времени отработки блоков (рис. 1).

Коэффициент запаса прочности для кровли камер определяется по формуле:

3 К,-

Для условий отработки одного этажа жил средней мощности 2 м установлены зависимости изменения коэффициента запаса прочности К3 кровли камер от времени отработки блоков (рис. 2).

Определение допустимых напряжений производится из выражений:

в целиках

■Об (у"6 .¡с .к

'сж _ исж ^ф

к, к,

в кровле камер ;

оК, Кдл '

где стд0„ - предел прочности на сжатие горных пород в массиве, МПа; аЦ. - предел прочности на сжатие в образце, МПа.

Предел прочности пород на сжатие в образце по данным испытаний составляет от - 47,8 МПА до - 222,7 МПа. За основу принимаем минимальные напряжения, равные - 47,8 МПа.

Таблица 3

Значения коэффициента структурного ослабления

Линейный раз- Коэффициент структурного ослабления

мер структурно- мерзлые породы породы пере- породы пере- талые породы

го блока, м ходной зоны I ходной зоны 11

Мощность жилы 1 м

0,1 0,87 0,67 0,57 0,47

0,2 0,99 0,79 0,69 0,59

0,3 1,00 0,87 0,77 0,67

0,4 1,00 0,96 0,86 0,76

0,5 1,00 1,00 0,92 0,82

Мощность жилы 2 м

0,1 0,80 0,60 0,50 0,40

0,2 0,88 0,68 0,58 0,48

0,3 0,94 0,74 0,64 0,54

0,4 1,00 0,79 0,69 0,59

0,5 1,00 0,84 0,74 0,64

Мощность жилы 3 м

0,1 0,77 0,57 0,47 0,37

0,2 0,83 0,63 0,53 0,43

0,3 0,88 0,68 0,58 0,48

0,4 0,92 0,72 0,62 0,52

0,5 1,00 0,76 0,66 0,56

1.00 0,00

Г, год

-4

1,00 0,00

2 4

10 — 4

а 6

Рис.1. Графики изменения коэффициента запаса прочности целиков К, от времени отработки блоков в породах с коэффициентами крепости /=11-13 (а) и/-14-18 (б): 1,2,3,4 - для условий, соответственно, мерзлых, переходной зоны I, переходной зоны!!, талых пород

Рис.2. Графики изменения коэффициента запаса прочности кровли камер К3 от времени отработки блоков в породах с коэффициентами крепости/=11-13 (а) и /=14-18 (б): 1,2,3,4 -для условий, соответственно, мерзлых, в переходной зоне I, в переходной зоне 11, талых породах

На основании расчётов получены зависимости предела прочности массива от времени стояния целиков и кровли камер (рис. 3). В мерзлых породах допустимые напряжения значительно выше, чем в переходных зонах и талых породах. Так при расчетном времени отработки два года в мерзлых породах одгт = -36,8 МПа, в переходной зоне 1-28,1 МПа, в переходной зоне II - 25,2 МПа. В талых породах а1)оя= - 21,7 МПа, что в 1,7 раза меньше, чем в мерзлых породах. Такое соотношение допустимых напряжений в талых и мерзлых породах сохраняется

при времени отработки блоков от 2 до 10 лет. С увеличением сроков отработки блоков в кровле камер допустимые напряжения также снижаются. При оттайке мерзлоты устойчивость кровли уменьшается на 30-40 %.

-10-

-20

•30.

40-

Од,,,,, мн»

Одо,„ МП.

Рис. 3. Графики изменения допустимых напряжений в целиках (а) и в кровле камер (о) от времени отработки блоков: 1,2,3,4 - для условий, соответственно, мерзлых, в переходной зоне I, в переходной зоне II, талых породах

Выявленные закономерности изменения коэффициентов структурного ослабления и запаса прочности позволяют уточнить допустимые напряжения пород, которые являются критерием устойчивости конструктивных элементов систем разработки в различных криогенных зонах.

3. Параметры подземной геотсхнологин при отработке наклонных золоторудных жил в условиях криолитозоны должны обеспечиваться: временем отработки до 2...4 лет, выбором рациональных размеров очистного забоя, применением устойчивых предохранительных целиков и кровли камер, погашением отработанного пространства регулируемым самообрушенпем.

Параметры подземной геотехнологии при отработке наклонных жил в условиях криолитозоны определялись на основе оценки их напряженно-деформированного состояния. Для оценки напряжений в конструктивных элементах систем разработки был использован метод математического моделирования по программе ЕЬА8Т-2, разработанной д-ром физ.-мат. наук В.И. Машуковым, ИГД СО РАН. Всего промоделировано 36 вариантов, отражающих различные стадии выемки запасов жилы по восстанию на глубинах 100-500 м, в том числе 20 моделей для условий многолетнемерзлых пород, 16 моделей - для переходных зон.

Установлено, что в многолетнемерзлых породах и в переходных зонах на контуре штреков, в надштрековых и подштрековых целиках, в кровле очистных камер нет растягивающих напряжений, крайне отрицательно влияющих на устой-

чивость пород. Изменение напряжений в целиках и кровле камер при последовательной отработке очистной камеры по восстанию с 15 м до 68 м составляет в пределах 20%. В многолетнемерзлых средах напряжения в целиках, примерно, в 2 раза меньше, чем в переходной зоне. В кровле напряжения возрастают, но они не превышают допустимых значений. В переходных зонах не ожидается резкого снижения устойчивости конструктивных элементов систем разработки. Как в многолетнемерзлых горных массивах, так и переходных зонах кровля очистных камер при отработке одного этажа находится в устойчивом состоянии. Однако возможны отслоения рассланцованных пород кровли. Эти породы необходимо поддерживать крепью.

При разработке жил в криолитозоне целесообразно применять комплексный способ управления горным давлением. При выемке запасов блока предлагается управление горным давлением проводить способом естественного поддержания очистного пространства. Для этого определяются параметры устойчивых междуэтажных, внутриблоковых целиков и обнажений камер. Для обеспечения устойчивости кровли от возможных локальных обрушений пород в зонах рассланцева-ния необходимо крепить кровлю очистного пространства, т.е. применять способ управления горным давлением - искусственное поддержание очистного пространства. После выемки целиков не исключается возможность процессов обрушения пород. Для обеспечения безопасности планируется подземные пустоты своевременно погашать. С этой целью предусматривается использовать способ управления горным давлением - самообрушение вмещающих пород.

Обоснование параметров устойчивых целиков и обнажений кровли камер проведено на основе методик В.Ф. Трумбачева, Г.А. Каткова, Д.И. Беккера, Н.П. Влоха, A.B. Зубкова, Л.И. Сосновского, A.M. Павлова. Параметры междуэтажных целиков определялись по формуле

ац = 'а в + Кгц г-адоп' Кф где оц - напряжения в междуэтажном целике, МПа; К,Ц,КЩ - коэффициенты концентрации напряжений от вертикальных и горизонтальных единичных нагрузок в междуэтажном целике; а,,а, - первоначальные напряжения, МПа; а6гж -предел прочности при сжатии или растяжении пород в массиве, МПа, Кф- коэффициент, учитывающий геометрические размеры целика (коэффициент Церна).

Размеры внутриблоковых целиков рассчитывали на основе выражения

где а" - напряжения от действия свода возможного обрушения пород, МПа; Кл -коэффициент концентрации напряжений в целике.

Устойчивость кровли камеры оценивали, используя неравенство:

где Кв„ Кгк - коэффициенты концентрации напряжений от вертикальных и горизонтальных единичных нагрузок в кровле камеры.

Установлено, что в многолетнемерзлых породах допустимые напряжения в междуэтажном целике шириной 3 м при времени их службы 2...4 года составляют - 44,8 МПа (рис.4а). Расчетные напряжения меньше допустимых значений до глубины 450 м. Допустимое напряжение в междуэтажном целике шириной б м составляет - 62,5 МПа. Расчетные напряжения в междуэтажных целиках шириной 6 м меньше допустимых значений для глубин более 500 м. Рекомендуется оставлять междуэтажные целики шириной 6 м, в том числе надштрековый целик 3 м, подштрековый целик 3 м. При таких параметрах междуэтажные целики будут устойчивы. На достигнутых в настоящее время глубинах горных работ можно оставлять или один надштрековый, или один подштрековый целик. При времени службы больше 4 лет допустимые напряжения уменьшаются в 3...5 раз, а, следовательно, междуэтажный целик необходимо значительно увеличивать.

а I I |г! I I I4! I; Г! I I Iе! п 1°11 I I Д.У 0 0

о,«« при /„=6м

Ш.

11II11113! 11 Г1 111! 111

/ц. м

СУ:,. МЛл

СТ.,. М(1а

а 6

Рис. 4. Графики напряжений в междуэтажных целиках в мерзлых породах (а) и в переходной зоне к талым (6) в зависимости от ширины междуэтажного целика: 1-5, соответственно для глубины разработки 100, 200, 300, 400, 500 м

Результаты расчета внутриблоковых целиков показали, что напряжения в них меньше допустимых, которые равны - 36,8 МПа. При возможном отслоении

пород кровли предусматривается крепление кровли очистной камеры. В случае разрушения целиков общее устойчивое состояние камеры сохранится, т.к. основную нагрузку несут междуэтажные целики.

Напряжения в кровле камер в многолетнемерзлых породах при отработке этажа на глубинах от 100 до 500 м не превышают - 12 МПа, что меньше допустимых значений (рис. 5а). Кровля камеры будет устойчива, что согласуется с результатами математического моделирования.

При выемке запасов в переходных зонах криолитозоны напряжения в междуэтажных целиках ниже, чем в условиях многолетней мерзлоты, т.к. повышенные природные горизонтальные напряжения уменьшают действия вертикальных (рис. 46). Однако допустимые напряжения здесь значительно меньше, чем для условий мерзлых пород. Коэффициент структурного ослабления составляет 0,79 вместо Кс=0,99 доя мерзлых пород. По абсолютной величине напряжения меньше допустимых до глубин 400 м. Напряжения в кровле камеры в породах переходной зоны выше, чем в многолетнемерзлых в 1,5...2 раза. На глубинах 400 м и более блоки рекомендуется отрабатывать участками максимально возможной длины по падению. В этом случае кровля камеры будет более устойчива (рис. 56). В переходных зонах, также как и многолетней мерзлоте, при длительном стоянии блоков до 10 лет и более необходимо увеличивать размеры целиков.

На основании изложенного можно сделать вывод о целесообразности уменьшения срока отработки блока до 2-4 лет. В этом случае можно оставлять целики минимальных размеров при значительных обнажениях кровли.

В многолетнемерзлых породах и в их переходных зонах возможна выемка внутриблоковых целиков после отработки жил камерно-столбовой системой разработки. Вместо применяемой камерно-столбовой системы разработку жил целесообразно вести сплошной системой разработки без оставления внутриблоковых целиков. Устойчивость подрабатываемого массива на период выемки запасов будут обеспечивать оставляемые надштрековые и подштрековые целики и крепление кровли очистного пространства стоечной крепью.

Промышленные испытания технологии с параметрами целиков и обнажений кровли камер, рассчитанных по разработанным методикам, проводились на руднике при отработке жилы «Центрально-Тулуинская» в 2005-2008 гг. Были проведены замеры напряжений. Измеренные и расчетные напряжения в кровле и междуэтажных целиках оказались практически равны. Следовательно, разработанные расчетные модели соответствуют реальному состоянию подрабатываемого массива и их можно использовать на практике.

Рис.5. Графики напряжений в кровле очистной камеры в мерзлых породах (а) и в переходной зоне к талым (б) в зависимости от длины камеры; 1-5. соответственно для глубины разработки 100, 200, 300, 400, 500 м

Промышленная проверка процесса регулируемого самообрушения осуществлялась на жиле «Центрально-Тулуинская», после выемки целиков в пределах трех этажей (рис. 6). Установлено, что процессы самообрушения возможны после отработки двух и более этажей.

^=¡1 ГТ]з [~]4 Щб^б

Сечение сгратоизогжю через 5 м

Рис. 6. Расположение участков регулируемого самообрушения относительно элементов рельефа кровли очистного пространства. Жила «Центрально-Тулуинская»: 1 —рельеф кровли; 2 - оси купольных структур; 3 - оси провесов кровли; 4 - бутовые полосы; 5 - места регулируемого самообрушения кровли; б - линии разрезов

Обрушения кровли происходят, как и предсказывалось, в прогибах поверхности кровли жилы. Площадь участка самообрушения составляла 20x60=1200 м2. Процессы обрушения вызывались путем подрыва крепежных стоек в местах прогнозируемых участков. В 2007-2008 гг. регулируемое самообрушение осуществлено на восьми участках. Общая площадь обрушенных участков составила около 10 000 м2. Погашенная площадь выработанного пространства - более 25 ООО м2. Разработанный и внедренный способ управления горным давлением в условиях многолетней мерзлоты позволил:

повысить уровень промышленной безопасности и охраны труда за счет исключения накопления больших объемов пустот и предотвращения катастрофических обрушений пород на больших площадях; - сократить затраты на устройство бутовых полос, которые ранее применялись для локализации и погашения подземных пустот.

Реальный экономический эффект только от снижения затрат на возведение бутовых полос составил 2,4 млн руб. Основные рекомендации исследований согласованы с Бурятским управлением по технологическому и экологическому надзору для использования на руднике Ирокинда.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой дано новое решение задачи обоснования параметров подземной геотехнологии наклонных золоторудных жил в криолитозоне, имеющей важное научно-прикладное значение при добыче месторождений полезных ископаемых.

Основные научные и прикладные результаты работы сводятся к следующему:

1. Выявлены закономерности изменения температурного режима массива горных пород и воздуха в шахте, учитывающие влияние сезонного изменения температур, глубины распространения многолетнемерзлых пород и их переходных зон к талым.

2. Уточнена классификация устойчивости обнажений пород в условиях криолитозоны с учетом геологических факторов: поперечного разреза пород кровли, наличия зон рассланцевания и их характеристики, угла наклона жилы и формы рельефа кровли очистного пространства; интенсивности проявления блоковой тектоники, температурного режима пород.

ления размеров устойчивых целиков и кровли камер, параметров локальных самообрушений пород. Использование предлагаемых методов позволяет обеспечить безопасную выемку запасов, своевременно погашая подземные пустоты, и тем самым избежать техногенных катастроф.

4. Разработанные методы управления горным давлением апробированы в условиях рудника «Ирокинда», доказали свою работоспособность и эффективность разработки жил наклонного залегания в условиях криолитозон. Экономический эффект от реализации рекомендаций исследований составил 2,4 млн руб.

5. Разработаны методические указания по определению конструктивных параметров систем разработки в переходных зонах многолетнемерзлых пород к талым, рекомендованные Управлением по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора РФ по Республике Бурятия для практического применения на руднике «Ирокинда». Основные рекомендации исследований использованы при составлении локальных проектов отработки жил Ирокиндинского месторождения.

6. Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке специалистов горно-геологических специальностей в дисциплинах «Геомеханика», «Управление состоянием массива горных пород», «Горнопромышленная геология» и др.

Основные результаты исследований, выполненные автором, опубликованы в следующих работах:

1. Семенов, Ю.М. Управление горным давлением в криолитозоне при отработке наклонных маломощных жил на примере Ирокиндинского месторождения /А.М. Павлов, Ю.М. Семенов// Горный информационно-аналитический бюллетень. - Москва: Изд-во МГТУ, 2007. - №11. - С. 30-34.

2. Семенов, Ю.М. Определение параметров устойчивых целиков и обнажений камер при разработке наклонных жил в криогенных зонах в условиях Ирокиндинского золоторудного месторождения /A.M. Павлов, Ю.М. Семенов, Л.И. Сосновский// Горный информационно-аналитический бюллетень. - Москва: Изд-во МГТУ., 2008. - №5. - С. 142-147.

3. Семенов, Ю.М. Управление горным давлением в многолетнемерзлых массивах при подземной разработке наклонных жил малой мощности Ирокиндинского золоторудного месторождения /A.M. Павлов, Ю.М. Семенов, Л.И. Сосновский// Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: тр. науч. конф. с участием иностр. ученых. - Новосибирск: Изд-во ин-та горного дела СО РАН, 2008. -С. 477-481.

4. Семенов, Ю.М. Параметры погашения очистного пространства способом самообрушения кровли при отработке наклонных жил золоторудных место-

рождений /A.M. Павлов, Ю.М. Семенов, Л.И. Сосновский, В.А. Филошок, E.JI. Сосновская// Горный информационно-аналитический бюллетень. - Москва: Изд-во МГГУ, 2009. - №4. - С. 42-48.

5. Семенов, Ю.М. Температурный режим горного массива в криолитозо-не на руднике «Ирокинда» /Ю.М. Семенов//Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: сб. науч. трудов. - Иркутск; изд-во ИрГТУ, 2009. - С. 282-

283

Подписано в печать 5.02.2010. Формат60 х90 /16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Зак. 36. Поз. плана 28н.

ИД№ 06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Семенов, Юрий Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Опыт подземной разработки золоторудных жил наклонного зале-ния.

1.2. Анализ существующих технологий в криогенной зоне.

1.3. Анализ результатов исследований влияния теплового режима шахт на устойчивость и деформирование горных выработок.

1.4. Анализ результатов исследований по определению параметров подземных геотехнологий разработки наклонных жил.

1.5. Цели и задачи исследований.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И КРИОГЕННЫХ УСЛОВИЙ ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ УСТОЙЧИВОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНОГО МАССИВА.

2.1. Горно-геологическая характеристика месторождения.

2.2. Геологические факторы, влияющие на устойчивость пород.

2.3. Исследование закономерностей распределения температур горных пород и воздуха в горных выработках, криогенное районирование.

2.3.1. Методика измерений температур воздуха и пород в горных выработках.

2.3.2. Закономерности распределения температур пород и воздуха в горных выработках.

2.3.3. Переходные зоны от многолетнемерзлых к талым средам, их границы и классификация.

2.4. Классификация состояния кровли выработок по степени устойчивости с учетом переходных зон.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ГОРНОГО МАССИВА И ОЦЕНКА ЕГО УСТОЙЧИВОСТИ.

3.1. Обоснование критериев оценки устойчивости массива горных пород в криолитозоне.

3.1.1. Обоснование коэффициента структурного ослабления пород.

3.1.2. Определение коэффициента запаса прочности целиков и кровли камер.

3.1.3. Оценка допустимых напряжений в целиках и кровле камер.

3.2. Определение первоначального напряженного состояния горного массива инструментальными измерениями в шахте.

3.2.1. Методика измерений.

3.2.2. Результаты измерений.

3.3. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния опорных целиков и обнажений кровли при отработке жил.

4. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ЖИЛ В КРИОЛИТОТОЗОНЕ.

4.1. Обоснование метода управления горным давлением - естественным поддержанием очистного пространства.

4.1.1. Методика определения параметров устойчивых целиков и кровли камер.

4.1.2. Определение размеров устойчивых целиков и обнажений кровли камер при отрицательных температурах горного массива.

4.1.3. Определение размеров устойчивых целиков и обнажений кровли камер в переходной зоне от отрицательных температур в положительные.

4.2. Обоснование метода управления горным давлением - регулируемым самообрушением.

4.2.1. Определение высоты свода обрушения.

4.2.2. Определение шага обрушения.

5. ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРОВЕРКА И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ НА РУДНИКЕ «ИРОКИНДА».

5.1. Проверка и реализация результатов исследований по определению устойчивых целиков и обнажений кровли.

5.2. Промышленная проверка эффективности применения способа управления горным давлением - регулируемым самообрушением.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование параметров подземной геотехнологии наклонных золоторудных жил в криолитозоне"

Золоторудные жильные месторождения Восточной Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока России имеют ряд особенностей: наличие криолито-зоны различной мощности и температурного режима, сложное геологическое строение и тектоническую нарушенность, многообразие условий по устойчивости руд и вмещающих пород. Все это существенно влияет на устойчивость подрабатываемых массивов, напряженное состояние целиков и обнажений выемочных камер.

Назрела актуальная необходимость обосновать методы и методики определения параметров подземной геотехнологии наклонных жил в криолито-зоне на основе исследований температурного режима пород, геологических факторов, природных и техногенных полей напряжений в конструктивных элементах систем разработки на различных стадиях выемки запасов. Это позволит повысить безопасность и эффективность их разработки.

Объект исследований - подземная геотехнология наклонных золоторудных жил в криолитозоне.

Предмет исследований - напряженное состояние горных пород и конструктивные параметры систем разработки наклонных жил в условиях крио-литозоны.

Задачи исследований:

1.Анализ условий разработки наклонных золоторудных жил в криоли-тозоне.

2. Исследование геологических и криогенных факторов, определяющих устойчивое состояние горного массива.

3. Оценка устойчивости горного массива с учетом природных и техногенных напряжений горного массива.

4. Обоснование методов определения параметров подземной геотехнологии наклонных золоторудных жил.

5. Апробирование и реализация рекомендаций работы в производство.

Методы исследований. В работе применены комплексные исследования, включающие: научный анализ и обобщение накопленного опыта; натурные измерения; графоаналитический метод при изучении элементов тектоники; теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния целиков и обнажений кровли с применением математического моделирования и шахтных измерений методами разгрузки; опытно - промышленную проверку разработанных методов управления горным давлением.

Научные положения, выносимые на защиту: 1. При отработке рудных залежей в условиях многолетнемерзлых пород выявлено два типа переходных зон от многолетнемерзлых пород к талым, один из которых связан с естественным состоянием мерзлоты, другой с влиянием сезонного ритма ведения горных работ. В условиях переходных зон горизонтальные напряжения, действующие вкрест простирания рудных тел, превышают вертикальные в 1,7 раза, горизонтальные напряжения, действующие по простиранию, практически равны вертикальным. Установленные закономерности - основа разработки специальных технических решений по совершенствованию элементов технологии ведения горных работ и управлению горным давлением.

3. Параметры подземной геотехнологии при отработке наклонных золоторудных жил в условиях криолитозоны должны обеспечиваться: временем отработки до 2.4 лет, выбором рациональных размеров очистного забоя, применением устойчивых предохранительных целиков и кровли камер, погашением отработанного пространства регулируемым самообрушением.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается соответствием физических и математических моделей реальному состоянию массива горных пород, сходимостью результатов (лабораторных, аналитических и натурных) исследований, внедрением разработанных рекомендаций в промышленных масштабах.

Научная новизна диссертации

1. Выявлены закономерности изменения температурного режима криолитозоны в зависимости от сезона года и глубины разработки.

4. Определены первоначальные напряжения на различных участках криолитозоны Ирокиндинского месторождения.

Практическая значимость результатов исследований

4. Определены параметры регулируемого самообрушения пород кровли при погашении подземных пустот.

Реализация работы

1. Разработанные методические указания по определению конструктивных параметров систем разработки в переходных зонах многолетнемерз-лых пород к талым рекомендованы Управлением по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора РФ по Республике Бурятия для практического применения на руднике «Ирокинда».

3. Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке специалистов горно-геологических специальностей в дисциплинах «Геомеханика», «Управление состоянием массива горных пород», «Горнопромышленная геология» и др.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на технических совещаниях ОАО «Бурятзолото» и рудника «Ирокинда» (г. Улан-Удэ, п. Ирокинда, 2005-2008 гг.); научно-технических конференциях горного факультета Иркутского государственного технического университета (г. Иркутск, 2007-2008 гг.); научно-технической конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр земли» (г. Новосибирск, 2007 г.); научно-технической конференции «Неделя горняка», МГГУ (г. Москва, 2007-2008 гг.).

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Семенов, Юрий Михайлович

ВЫВОДЫ

1. Предлагаемые методики позволяют с достаточной степенью надежности определять и прогнозировать размеры устойчивых целиков и обнажений кровли в различных криогенных условиях, давать сравнительный анализ фактических и расчетных параметров целиков, обнажений камер, а также объяснять причины вредных проявлений горного давления. Относительная разность расчетных и фактических напряжений в целиках находится в пределах точности натурных измерений напряжений. Результаты лабораторных, аналитических и натурных исследований имеют высокую сходимость. Это подтверждает соответствие физических и математических моделей реальному состоянию массива горных пород в криолитозоне.

2. Промышленная проверка способа управления горным давлением -самообрушение в криолитозоне - также дала положительные результаты. Пространственное положение мест обрушения и их фактические параметры соответствуют прогнозным по предлагаемым методикам. Создание регулируемых локальных обрушений кровли исключает накопление больших объемов пустот и предотвращает катастрофические обрушения пород на больших площадях.

3. В результате внедрения регулируемого самообрушения только от снижения затрат на возведение бутовых полос получен реальный экономический эффект в размере 2,4 млн. рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой дано новое решение задачи обоснования параметров подземной геотехнологии наклонных золоторудных жил в криолитозоне и которая имеет важное научно-прикладное значение при добыче месторождений полезных ископаемых.

Основные научные и прикладные результаты работы сводятся к следующему:

2. Уточнена классификация устойчивости обнажений пород в условиях криолитозоны с учетом геологических факторов: поперечного разреза пород кровли; наличия зон рассланцевания и их характеристики; угла наклона жилы и формы рельефа кровли очистного пространства; интенсивности проявления блоковой тектоники, температурного режима пород.

3. Научно обосновано применение комплекса методов управления горным давлением. Применительно к условиям криолитозоны с учетом природных и техногенных напряжений горного массива усовершенствованы методики определения размеров устойчивых целиков и кровли камер, параметров локальных самообрушений пород. Использование предлагаемых методов позволяет обеспечить безопасную выемку запасов и своевременно погашать подземные пустоты, чтобы избежать техногенных катастроф.

4. Разработанные методы управления горным давлением апробированы в условиях рудника «Ирокинда», доказали свою работоспособность и эффективность разработки жил наклонного залегания в условиях криолитозои. Экономический эффект от реализации рекомендаций исследований составил 2,4 млн руб.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Семенов, Юрий Михайлович, Иркутск

1. Акимов, А.Г. Методика изучения трещиноватости массива и учет влияния трещиноватости на сдвижения при подземной разработке рудных месторождений / А.Г. Акимов// Тр. ВНИМИ. Ленинград, 1964. - СбХ I. -С.55-69.

2. Акимов, А.Г., Определение величин угловых параметров сдвижения на рудных месторождениях / А.Г. Акимов // Горный журн. 1965. - №2 - С.57.62.

3. Аманжолов, Э.А. Новые технологии и материалы для крепления горных выработок /Э.А.Аманжолов, С.А. Шаймердинов, Б.Х. Кошумов// Горный журн. Цветные металлы. Спец. вып. 2005. - С. 23-25.

4. Бакакин, В.П. Основы ведения горных работ в условиях вечной мерзлоты

5. В.П. Бакакин. М.: Металлургиздат, 1958. - 231 с.

6. Бакакин, В.П. Лед в качестве материала для закладки выработанного пространства / В.П. Бакакин. М.: Изд-во АН СССР, 1958. - вып. IV. - 157 с.

7. Борисенко, С.Г. Зависимость напряжений в кровле камер и целиках от угла падения залежи / Борисенко С.Г., Каленченко А.Н. // Реферативная информация. Сер. Угольная и горнорудная промышленность. Киев: Ви-щашк. 1971. - С.22-23.

8. Борисенко, С.Г. Напряжения в целиках в зависимости от угла падения залежи / С.Г.Борисенко, А.Д.Сорокин // Известия АН СССР ОТН. Сер. Металлургия и топливо. 1961. - №5. - С. 117-122.

9. Борисенко, С.Г. Расчет целиков на прочность при разработке крутых залежей / С.Г. Борисенко, Г.С. Гаркуша // Горный журн. 1978. - № 5 - С.58.61.

10. Борисенко, С.Г. Камерная система разработки в горнорудной промышленности / С.Г. Борисенко, Ф.А. Копица. М.: Госгортехиздат, 1960. - 400 с.

11. Борисенко, С.Г. Расчет на прочность элементов блоков при разработке рудных месторождений / С.Г. Борисенко, Е.И. Комский. Киев: Техника,1970.-79 с.

12. Борщ-Компаниец, В.И. Механика горных пород, массивов и горное давление / В.И. Борщ-Компаниец. М.: МГИ, 1968. - 484 с.

13. Букринский, В.А. Изучение связи трещиноватости с тектоническими структурами горных пород / В.А. Букринский, A.B. Михайлова. М.: Недра, 1963.- 98 с.

14. Влох, Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках / Н.П. Влох. М.: Недра, 1994. -208 с.

15. Влох, Н.П. Измерение напряжений в массиве крепких горных пород / Н.П. Влох, А.Д. Сашурин. М.: Недра, 1970. - 124 с.

16. Вотяков, И.Н. Физико-механические свойства мерзлых и оттаивающих грунтов / И.Н. Вотяков. Новосибирск: Наука, 1975. - 175 с.

17. Временные правила охраны сооружений, природных объектов и горных выработок от вредного влияния подземных горных разработок на золоторудных месторождениях. Иркутск, 1994. -76 с.

18. Временные правила охраны сооружений, природных объектов и горных выработок от вредного влияния подземных горных разработок месторождений руд цветных металлов с неизученным процессом сдвижения горных пород Л.: ВНИМИ, 1986. - 74 с.

19. Вялов, С.С. Подземные льды и сильно льдистые грунты, как основания сооружений/С.С.Вялов, В.В. Докучаев, Д.Р. Шенкман. Л.: Стройиздат, 1976.-258 с.

20. Галаев, Н.З. Управление состоянием массива горных пород при подземной разработке рудных месторождений: учеб. для вузов / Н.З. Галаев. -М.: Недра, 1990.-176 с.

21. Галаев, Н.З. Основные направления в совершенствовании разработки нижних горизонтов апатитовых рудников / Н.З. Галаев, В.И. Крапивин // Горный журн. 1971. - №4. - С. 43-46.

22. Гзовский, М.В. Основы тектонофизики / М.В. Гзовский. М.: Наука, 1975. -536 с.

23. Гзовский, М.В. Тектонические поля напряжений / М.В. Гзовский // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1954. - №5. - С.29-36.

24. Гинтов, О.Б. Некоторые закономерности разломообразования и методика морфокинематического анализа сколовых разломов / О.Б. Гинтов, В.М. Исай // Геофиз. журн. -1984а. -Т.6, №3. С.3-10.

25. Гинтов, О.Б. Некоторые закономерности разломообразования и методика морфокинематического анализа сколовых разломов / О.Б. Гинтов, В.М. Исай // Геофиз. журн. -19846.-Т.6, №4. С.3-14

26. Горелик, Я.Б. Удивительная мерзлота. /Я.Б. Горелик, B.C. Колунин// Природа,-2001.-№ 10

27. Гущенко, О.И. Метод кинематического анализа структур разрушения при реконструкции полей тектонических напряжений/ О.И. Гущенко // Поля напряжений и деформаций в литосфере. М., 1979. - С.7-25.

28. Данилович, В.Н. Метод поясов в исследовании трещиноватости, связанной с разрывными смещениями /В.Н. Данилович. Иркутск: Изд-во Ир-кут. политехи, ин-та, 1961. -47 с.

29. Дядькин, Ю.Д. Отработка междукамерного целика с предварительным замораживанием закладки /Ю.Д. Дядькин, Паненков Ю.И., Симонов К.С. и др. // Горный журн. 1977. - №8,- С. 32-34.

30. Дядькин, Ю.Д. Тепловой режим рудных, угольных и россыпных шахт севера / Ю.Д. Дядькин, А.Ф. Зильберборд, П.Д. Чабан. М: Наука, 1968 -172 с.

31. Дядькин, Ю.Д. Основы горной теплофизики для шахт и рудников Севера /Ю.Д. Дядькин. М.: Недра, 1968. - 256 с.

32. Ельчанинов, Е.А. Проблемы управления термодинамическими процессами в зоне влияния горных работ /Е.А. Ельчанинов. М.: Наука, 1989. -239 с.

33. Емельянов, В.И. Подземная разработка многолетнемерзлых россыпей /В.И. Емельянов, Ю.А. Мамаев, Е.Д. Кудлай. М.: Недра, 1982. - 240 с.

34. Зильберборд, А.Ф. Тепловой режим шахт в области распространения многолетнемерзлых горных пород /А.Ф. Зильберборд. М: Изд-во. АН СССР, 1963 г.-95 с.

35. Зубков, A.B. Влияние геолого-тектонического строения месторожденияна изменение напряжений массива горных пород с глубиной /A.B. Зубков // ФТПРПИ. 1982. - № 1-С. 16-20.

36. Иливицкий, A.A. Расчет междукамерных целиков на прочность при разработке крутопадающих рудных залежей / A.A. Иливицкий//Горный журн. 1963. - №8 - С.14-18.

37. Ильштейн, A.M. Методы расчета целиков и потолочин камер рудных месторождений / A.M. Ильштейн, Ю.М. Либерман, Е.А. Мельников и др. -М.: Наука. 1964. 144 с.

38. Именитов, В.Р. Локализация пустот при подземной добыче руды / В.Р. Именитов, В.Ф. Абрамов, В.В. Попов. -М.: Недра, 1983. 188 с.

39. Кузнецов, М.А. Сдвижение горных пород на рудных месторождениях / М.А. Кузнецов, А.Г. Акимов и др. М.: Недра, 1971. - 124 с.

40. Кузнецов, М.А. Характер сдвижения земной поверхности при неслоистых вмещающих породах / М.А. Кузнецов, Т.П. Сакаева // Сб. ВНИМИ XII.-1966. С.300-310.

41. Ковалев, И.А. Расчет численным методом напряженного состояния целиков применительно к крутопадающим жильным месторождениям / И.А.Ковалев, В.В.Жуков, Е.В.Чернов и др. // Горный журнал. Известия ВУЗов,- 1977.-№4.- С.7-11.

42. Ким, Д.Н. Влияние структуры на сдвиговую прочность массива и определение расчетных механических характеристик /Д.Н. Ким// Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ: сб. на-учн. тр./ ВНИМИ. 1969. Вып. 72. - С. 568-585.

43. Лизункин, В.М. Научно-методические и физико-технические основы комбайновой выемки крепких руд маломощных некрутопадающих месторождений: автореф. дис. . д-ра. техн. наук: В.М. Лизункин. Чита, 1999. - 38 с.

44. Марков, Г.А. Тектонические напряжения и горное давление в рудниках Хибинского массива / Г.А. Марков. М.: Наука, 1977. -213 с.

45. Михайлов, Ю.В. Оптимизация формирования ледяной закладки при подземной разработке месторождений в криолитозоне /Ю.В. Михайлов, В.В. Бовенко // ФТПРПИ. 1988. - №3. - С. 89-93

46. Нагрузка на целики 4. I. Обзор литературы и новая гипотеза, ИГД Мин-чермета СССР. 33/67 107 с, Canada Department Mines and Technical Surveys Ottava Research Report R-168.

47. Нагрузка на целики 4.2. Исследования на моделях, ИГД Минчермета СССР №41/66 118 с. Canada Department Mines and Technical Surveys Ottava Research Report R-168.

48. Нагрузка на целики 4.4. Наклонные выработки, ИГД Минчермета СССР №22/67 26 с. Canada Department Mines and Technical Surveys Ottava Research Report R-193.

49. Назарчик, А.Ф. Разработка жильных месторождений /А.Ф. Назарчик, И.А. Олейников, Г.И. Богданов. М.: Недра, 1977. -240 с.

50. Необутов, Г.П. Исследование формирования льдопородного закладочногомассива при послойном намораживании пород /Г.П. Необутов, С.П. Шкулев, В.П. Зубков // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1998. № 2. - С. 66-70.

51. Необутов, Г.П. Разработка рудных месторождений с использованием замораживаемой закладки в условиях многолетней мерзлоты /Г.П. Необутов, В.Г. Гринев. Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 1997 - 103 с.

52. Нестеренко, Г.Т. Методические указания по установлению размеров камер и целиков при камерных системах разработки руд цветных металлов / Г.Т. Нестеренко, B.C. Скозобцев, В.Д. Палий и др. Д.: ВНИМИ, 1972. -82 с.

53. Николаев, П.Н. Методика статистического анализа трещин и реконструкция полей напряжений / П.Н. Николаев // Изв. вузов. Сер. Геология и разведка. -1977. -№12. -с.103-115.

54. Павлов, А.М. Совершенствование подземной разработки золотосодержащих наклонных жил малой мощности в условиях рудника Ирокинда / А.М. Павлов // Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. -вып. 6 - С. 91-97.

55. Павлов, А.М. Эффективная технология подземной разработки золоторудных жил малой мощности наклонного залегания (на примере Ирокин-динского месторождения) / А.М. Павлов// Вестн. ИрГТУ. 2006. - № 2. -С. 20-21.

56. Парфенов, В.Д. К методике тектонофизического анализа геологических структур /В.Д.Парфенов // Геотектоника. 1984.- № 1. -С.60-72.

57. Парфенов, В.Д. К вопросу о реконструкции осей палеотектонических напряжений в горных породах / В.Д. Парфенов, С.И. Парфенова // Докл. АН СССР. 1980. - Т.251- № 4. - С.238-241.

58. Правила технической эксплуатации рудников, приисков и щахт, разрабатывающих месторождения цветных, редких и драгоценных металлов. -М.: Недра, 1981.- 109 с.

59. Рахимов, В.Р. Механические процессы в массиве горных пород при камерной системе разработки /В.Р. Рахимов. Ташкент: ФАН УзССР, 1980. - 198 с.

60. Руководство по определению безопасных объемов пустот, выбору и расчету изолирующих сооружений при подземное разработке рудных месторождений Киргизии. Фрунзе: Илим, 1976. - 50 с.

61. Семенов, Ю.М. Температурный режим горного массива в криолитозоне на руднике «Ирокинда» /Ю.М. Семенов// Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: сб. науч. трудов. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. - С.282-283.

62. Слесарев, B.JI. Определение оптимальных размеров целиков различного назначения /B.JI. Слесарев. М.: Углетехиздат,1948. -196 с.

63. Сосновский, Л.И. Управление горным давлением при разработке месторождений сложного тектонического строения и напряженного состояния массива /Л.И. Сосновский, Л.Г. Рубцов, Е.Л. Сосновская // Горный журн. -2000. № 2. - С.30-33.

64. Стаматиу, М. Расчет целиков на соляных рудниках /М. Стаматиу. -М.: Госгортехиздат, 1963. 148 с.

65. Технология разработки золоторудных месторождений / В.П.Неганов,

66. B.И.Коваленко, Сосновский Л.И. и др.; под ред. В.П. Неганова М. Недра, 1995.-336 с.

67. Турчанинов, И.А. Основы механики горных пород / И.А.Турчанинов, М.А.Иофис, Э.В.Каспарьян. Л.: Недра, 1989. - 488 с.

68. Указания по определению параметров процесса сдвижения, условий устойчивости земной поверхности и подработки горных выработок на Иро-киндинском месторождении / Акимов А.Г., Громов В.В. СПб., 2000. - 39 с.

69. Фидри, С.Е. Повышение эффективности разработки наклонных залежей в недостаточно устойчивых породах / С.Е. Фидри // Цветная металлургия. -1985.-№7.-С. 10-13.

70. Цитович, Н.А. Механика грунтов / Н.А. Цитович. М.: Высшая школа. -1983.-С. 74-75.

71. Цитович, Н.А. Механика мерзлых грунтов /Н.А. Цитович. М.: Высш. шк.,- 1973.-С. 39-50

72. Шевяков, Л. Д. О барьерных целиках при разработке месторождений с покидаемыми опорных столбами /Л.Д. Шевяков // Методы определения размеров опорных целиков и потолочин. М.: Изд-во АН СССР, 1962.1. C. 73-78.

73. Шевяков, Л. Д. О расчете прочностных размеров и деформаций опорных целиков /Л.Д. Шевяков // М.: Известия АН СССР 01Н, 1941, Л.7-8, с. 313. № 9, С. 43-58.

74. Шерман, С.И. Поля напряжений земной коры и геолого-структурные методы их изучения / С.И. Шерман, Ю.И. Днепровский. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989. - 158 с.

75. Шерстов, В.А. Подземная разработка россыпных месторождений Якутии /В.А Шерстов, В.Н. Скуба, К.И. Лубий, К.Н. Костромитинов. Якутск: Кн. изд-во, 1981.- 180 с.

76. Ялымов, Н.Г. Погашение пустот при подземной разработке руд /Н.Г. Ялымов. Фрунзе: Илим. 1979. -126 с.

77. Coates D.F., Ignatieff A. Predictions and measurement of pillar stresser. Canada Mining J.87. 1966. -№ 1. - C.50-56.126

Информация о работе

Семенов, Юрий Михайлович
кандидата технических наук
Иркутск, 2009
ВАК 25.00.22

Диссертация

Обоснование параметров подземной геотехнологии наклонных золоторудных жил в криолитозоне - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы